Java堆外内存之五：堆外内存管理类ByteBuffer

2022-10-07 21:50:31

本篇主要讲解如何使用直接内存（堆外内存），并按照下面的步骤进行说明：

相关背景-->读写操作-->关键属性-->读写实践-->扩展-->参考说明

希望对想使用直接内存的朋友，提供点快捷的参考。

数据类型

下面这些，都是在使用DirectBuffer中必备的一些常识，暂作了解吧！

基本类型长度

在Java中有很多的基本类型，比如：

byte，一个字节是8位bit，也就是1B
short，16位bit，也就是2B
int，32位bit，也就是4B
long, 64位bit，也就是8B
char，16位bit，也就是2B
float，32位bit，也就是4B
double，64位bit，也就是8B

不同的类型都会按照自己的位数来存储，并且可以自动进行转换提升。
byte、char、short都可以自动提升为int，如果操作数有long，就会自动提升为long，float和double也是如此。

大端小端

由于一个数据类型可能有很多个字节组成的，那么它们是如何摆放的。这个是有讲究的：

大端：低地址位存放高有效字节
小端：低地址位存放低有效字节

举个例子，一个char是有两个字节组成的，这两个字节存储可能会显示成如下的模样，比如字符a:

低地址位高地址位

大端； 00 96

小端： 96 00

String与new String的区别

再说说"hello"和new String("hello")的区别：

如果是"hello"，JVM会先去共享的字符串池中查找，有没有"hello"这个词，如果有直接返回它的引用；如果没有，就会创建这个对象，再返回。因此，"a"+"b"相当于存在3个对象，分别是"a"、"b"、"ab"。

而new String("hello")，则省去了查找的过程，直接就创建一个hello的对象，并且返回引用。

读写数据

在直接内存中，通过allocateDirect(int byte_length)申请直接内存。这段内存可以理解为一段普通的基于Byte的数组，因此插入和读取都跟普通的数组差不多。ByteBuffer中的allocateDirect方法调用DirectByteBuffer。

    public static ByteBuffer allocateDirect(int capacity) {

        return new DirectByteBuffer(capacity);

    }

只不过提供了基于不同数据类型的插入方法，比如：

put(byte) 插入一个byte
put(byte[]) 插入一个byte数组
putChar(char) 插入字符
putInt(int) 插入Int
putLong(long) 插入long

等等….详细的使用方法，也可以参考下面的图片：

对应读取数据，跟写入差不多：

注意所有没有index参数的方法，都是按照当前position的位置进行操作的。

下面看看什么是position，还有什么其他的属性吧！

基本的属性值

它有几个关键的指标：

1	`mark-->position-->limit-->capacity`

另外,还有remaining=limit-position。

先说说他们的意思吧！

当前位置——position

position是当前数组的指针，指示当前数据位置。举个例子：

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

buffer.putChar('a');

System.out.println(buffer);

buffer.putChar('c');

System.out.println(buffer);

buffer.putInt(10);

System.out.println(buffer);

由于一个char是2个字节，一个Int是4个字节，因此position的位置分别是:

2,4,8

注意，Position的位置是插入数据的当前位置，如果插入数据，就会自动后移。
也就是说，如果存储的是两个字节的数据，position的位置是在第三个字节上，下标就是2。

java.nio.DirectByteBuffer[pos=2 lim=1024 cap=1024]

java.nio.DirectByteBuffer[pos=4 lim=1024 cap=1024]

java.nio.DirectByteBuffer[pos=8 lim=1024 cap=1024]

position可以通过position()获得，也可以通过position(int)设置。

//position(int)方法的源码

public final Buffer position(int newPosition) {

        if ((newPosition > limit) || (newPosition < 0))

            throw new IllegalArgumentException();

        position = newPosition;

        if (mark > position) mark = -1;

        return this;

    }

注意：position的位置要比limit小，比mark大

空间容量——capacity

capacity是当前申请的直接内存的容量，它是申请后就不会改变的。

capacity则可以通过capacity()方法获得。

限制大小——limit

我们可能想要改变这段直接内存的大小，因此可以通过一个叫做Limit的属性设置。

limit则可以通过limit()获得，通过limit(int)进行设置。

注意limit要比mark和position大，比capacity小。

//limit(int)方法的源码

public final Buffer limit(int newLimit) {

        if ((newLimit > capacity) || (newLimit < 0))

            throw new IllegalArgumentException();

        limit = newLimit;

        if (position > limit) position = limit;

        if (mark > limit) mark = -1;

        return this;

    }

标记位置——mark

mark，就是一个标记为而已，记录当前的position的值。常用的场景，就是记录某一次插入数据的位置，方便下一次进行回溯。

可以使用mark()方法进行标记，
使用reset()方法进行清除，

使用rewind()方法进行初始化

//mark方法标记当前的position,默认为-1

public final Buffer mark() {

mark = position;

return this;

}

//reset方法重置mark的位置，position的位置，不能小于mark的位置，否则会出错

public final Buffer reset() {

int m = mark;

if (m < 0)

    throw new InvalidMarkException();

position = m;

return this;

}

//重置mark为-1.position为0

public final Buffer rewind() {

position = 0;

mark = -1;

return this;

}

使用案例

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(1024);

buffer.putChar('a');

buffer.putChar('c');

System.out.println("插入完数据 " + buffer);

buffer.mark();// 记录mark的位置

buffer.position(30);// 设置的position一定要比mark大，否则mark无法重置

System.out.println("reset前 " + buffer);

buffer.reset();// 重置reset ，reset后的position=mark

System.out.println("reset后 " + buffer);

buffer.rewind();//清除标记，position变成0，mark变成-1

System.out.println("清除标记后 " + buffer);

可以看到如下的运行结果：

插入完数据 java.nio.DirectByteBuffer[pos=4 lim=1024 cap=1024]

reset前 java.nio.DirectByteBuffer[pos=30 lim=1024 cap=1024]

reset后 java.nio.DirectByteBuffer[pos=4 lim=1024 cap=1024]

清除标记后 java.nio.DirectByteBuffer[pos=0 lim=1024 cap=1024]

剩余空间——remaing

remaing则表示当前的剩余空间：

public final int remaining() {

      return limit - position;

  }

读写实践

写操作主要就是按照自己的数据类型，写入到直接内存中，注意每次写入数据的时候，position都会自动加上写入数据的长度，指向下一个该写入的起始位置：

下面看看如何写入一段byte[]或者字符串：

    public static void test1() {

        ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(10);

        byte[] data = {1,2};

        buffer.put(data);

        System.out.println("写byte[]后 " + buffer);

        buffer.clear();//清空了

        buffer.put("hello".getBytes());//5个byte

        System.out.println("hello".getBytes().length);

        System.out.println("写string后 " + buffer);

    }

结果：

写byte[]后 java.nio.DirectByteBuffer[pos=2 lim=10 cap=10]
5
写string后 java.nio.DirectByteBuffer[pos=5 lim=10 cap=10]

读的时候，可以通过一个外部的byte[]数组进行读取。由于没有找到直接操作直接内存的方法: 因此如果想在JVM应用中使用直接内存，需要申请一段堆中的空间，存放数据。

如果有更好的方法，还请留言。

ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocateDirect(10);

buffer.put(new byte[]{1,2,3,4});

System.out.println("刚写完数据 " +buffer);

buffer.flip();

System.out.println("flip之后 " +buffer);

byte[] target = new byte[buffer.limit()];

buffer.get(target);//自动读取target.length个数据

for(byte b : target){

    System.out.println(b);

}

System.out.println("读取完数组 " +buffer);

输出为

刚写完数据 java.nio.DirectByteBuffer[pos=4 lim=10 cap=10]

flip之后 java.nio.DirectByteBuffer[pos=0 lim=4 cap=10]

1

2

3

4

读取完数组 java.nio.DirectByteBuffer[pos=4 lim=4 cap=10]

常用方法

上面的读写例子中，有几个常用的方法：

clear()

这个方法用于清除mark和position，还有limit的位置：

public final Buffer clear() {

        position = 0;

        limit = capacity;

        mark = -1;

        return this;

    }

flip()

这个方法主要用于改变当前的Position为limit，主要是用于读取操作。

public final Buffer flip() {

     limit = position;

     position = 0;

     mark = -1;

     return this;

 }

compact()

这个方法在读取一部分数据的时候比较常用。
它会把当前的Position移到0，然后position+1移到1。

public ByteBuffer compact() {

    int pos = position();

    int lim = limit();

    assert (pos <= lim);

    int rem = (pos <= lim ? lim - pos : 0);

    unsafe.copyMemory(ix(pos), ix(0), rem << 0);

    position(rem);

    limit(capacity());

    discardMark();

    return this;

}

比如一段空间内容为:

123456789

当position的位置在2时，调用compact方法，会变成：

345678989

isDirect()

这个方法用于判断是否是直接内存。如果是返回true，如果不是返回false。

rewind()

这个方法用于重置mark标记：

public final Buffer rewind() {

       position = 0;

       mark = -1;

       return this;

   }

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